基于北斗+5G 的動(dòng)力電池通訊技術(shù)設(shè)計(jì)

陳德燈，韋相福，方 正，王天生，毛獻(xiàn)昌

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530000）

0 引言

目前，新能源汽車發(fā)展飛速，尤其是新能源電動(dòng)汽車的市場保有量加速增多，不管是純電動(dòng)還是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車都是如此。電動(dòng)汽車是一個(gè)以電能為主導(dǎo)的產(chǎn)品，電能在使用時(shí)就有極大的安全隱患，因此國內(nèi)對(duì)新能源電動(dòng)汽車安全問題越來越重視。新能源電動(dòng)汽車的安全問題歸根結(jié)底屬于動(dòng)力電池的安全性能。導(dǎo)致這個(gè)問題的產(chǎn)生主要是現(xiàn)階段動(dòng)力電池的制造工藝、工作環(huán)境、控制策略等因素影響下不能確保動(dòng)力電池都有良好的性能，致使在運(yùn)行時(shí)每一個(gè)動(dòng)力電池包或者是單體電池實(shí)時(shí)的工作狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)很大的偏差。比如，在極端工況運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生電池包某個(gè)單體電池溫度過高、過放電、電流過大和電池鼓包等現(xiàn)象。這些情況的產(chǎn)生會(huì)嚴(yán)重影響動(dòng)力電池的性能和壽命，甚至產(chǎn)生冒煙、起火、爆炸等安全事故。

基于這種現(xiàn)象，國內(nèi)外針對(duì)性地作了很多相關(guān)的研究。Y Ye，J Liu[1]提出了一種基于耦合通信鏈的電池功率監(jiān)測系統(tǒng)，用于水下作業(yè)設(shè)備的監(jiān)控。該系統(tǒng)有利于遠(yuǎn)程操作和在線監(jiān)測，大大擴(kuò)展了電池檢測技術(shù)的數(shù)量和范圍。巫超凡、李紹銘[2]設(shè)計(jì)一種基于5G通信技術(shù)的動(dòng)力電池實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池充放電運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)時(shí)監(jiān)測、處理、警報(bào)功能，提高動(dòng)力電池安全性及運(yùn)行效益。梁貴毅，李樹青[3-4]針對(duì)磷酸鐵鋰電池廣泛應(yīng)用，主要論述磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn)，給出在通信基站配置原則和不同場景下配置方案。這些配置方案利于基站通信的建設(shè)，也給整個(gè)通信行業(yè)提供一定的參考依據(jù)。李巧玲等[5]就鐵鋰電池和鉛酸蓄電池的特性進(jìn)行對(duì)比分析，以及鐵鋰電池在通信電源系統(tǒng)運(yùn)用中需要注意的問題進(jìn)行了綜合剖析。李樹青[4]對(duì)鐵鋰電池和鉛酸電池的特性進(jìn)行了對(duì)比分析；并以鐵鋰電池為基礎(chǔ)，對(duì)在電力通信電源系統(tǒng)中的應(yīng)用應(yīng)注意的問題進(jìn)行了綜合的分析。但是，在動(dòng)力電池通訊的可靠性和通訊的精度方面，還有待提高，特別是，國家現(xiàn)階段提出的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)推廣應(yīng)用仍在起步階段，需要加大力度。本研究在動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS，即Battery Management System）原有功能上基于北斗+5G 的定位和通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款新型的新能源汽車動(dòng)力電池通訊技術(shù)。

1 通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

北斗+5G 的動(dòng)力電池通訊系統(tǒng)是由北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、5G 通訊系統(tǒng)、BMS、LINUX 控制系統(tǒng)、整車控制器（VCU）、CAN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)（傳感器）、車機(jī)顯示系統(tǒng)和語音交互系統(tǒng)等等系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)動(dòng)力電池的通訊技術(shù)，如圖1 所示為北斗+5G的動(dòng)力電池通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 北斗+5G 的動(dòng)力電池通訊系統(tǒng)

作為國內(nèi)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，承擔(dān)著動(dòng)力電池的精準(zhǔn)定位，實(shí)時(shí)掌握動(dòng)力電池包含單體電池的位置，使每個(gè)單體電池獲得統(tǒng)一精準(zhǔn)的時(shí)間控制。5G通訊系統(tǒng)在該系統(tǒng)承擔(dān)著與網(wǎng)絡(luò)云端的信號(hào)聯(lián)系，通過高速的網(wǎng)絡(luò)輸實(shí)時(shí)得到動(dòng)力電池的任務(wù)。BMS 是一種用于監(jiān)測、控制和保護(hù)動(dòng)力電池的系統(tǒng)。BMS 在電動(dòng)車輛、能源存儲(chǔ)系統(tǒng)等應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。BMS 通過監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的狀態(tài)和性能，但是不能實(shí)時(shí)傳輸給用戶；電池均衡控制，通過控制電池均衡模塊，將電池之間的電壓差異減小，以提高電池的使用效率和壽命；充放電控制，可以監(jiān)測電池的電流和電壓；溫度管理，BMS 可以監(jiān)測電池的溫度；故障檢測與保護(hù)，BMS 可以檢測電池組中的故障。LINUX 控制系統(tǒng)是一個(gè)遵循POSIX 的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU 的操作系統(tǒng)，在該系統(tǒng)承擔(dān)著數(shù)據(jù)計(jì)算、運(yùn)行處理的作用。CAN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由兩條雙絞線組成，承擔(dān)著數(shù)據(jù)的傳輸作用。車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中承擔(dān)著與其他系統(tǒng)的一個(gè)相互數(shù)據(jù)交換的作用；感知系統(tǒng)，相當(dāng)于人的眼睛和皮膚承擔(dān)著外界信息的傳入作用；車機(jī)控制系統(tǒng)，作為駕駛員可以直接看到的系統(tǒng)，視覺獲取動(dòng)力電池實(shí)時(shí)狀態(tài)。語音交互系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中承擔(dān)著用戶與車機(jī)之間的交互，可以實(shí)現(xiàn)智能化地獲取動(dòng)力電池的某個(gè)或某些性能參數(shù)，讓用戶及時(shí)做出相應(yīng)的對(duì)策。

2 通訊系統(tǒng)控制邏輯方案

該系統(tǒng)采用的是VMware Workstation V6.0，這是一款虛擬應(yīng)用型軟件，可以適用于大多數(shù)操作系統(tǒng)平臺(tái)，比如WinNT/2000/XP 平臺(tái)。VMware 是一個(gè)“虛擬PC”軟件，可以實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)電腦上同步運(yùn)行或者使用兩個(gè)或更多的Windows、DOS、LINUX 等操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過模塊化的設(shè)計(jì)邏輯進(jìn)行設(shè)置，將其劃分為多個(gè)子模塊組成的一個(gè)總系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)控制邏輯

控制邏輯采用結(jié)構(gòu)化控制方法，以BMS 為中心，多線路閉環(huán)控制。從感知層、控制層、執(zhí)行層三個(gè)層面全面形成控制網(wǎng)絡(luò)，如圖2 所示。

圖2 三個(gè)層面控制結(jié)構(gòu)

用戶從上車啟動(dòng)（上電）車輛開始，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS）就開始進(jìn)行狀態(tài)自檢，確認(rèn)完成后，進(jìn)入初始化程序，接著到主循環(huán)程序，進(jìn)入循環(huán)控制階段。在控制循環(huán)當(dāng)中最重要的是循環(huán)的判斷，循環(huán)的判斷依據(jù)就是標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)一般在設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)根據(jù)動(dòng)力電池的具體參數(shù)設(shè)定好，不可變化。對(duì)于各個(gè)控制模塊來說，需要根據(jù)模塊各自相應(yīng)的位置和功能決定循環(huán)次序和循環(huán)時(shí)間。

動(dòng)力電池的電池包內(nèi)有各類傳感器，包括溫度傳感器、壓力傳感器等等。這些傳感器就是感知層將接受到的信息轉(zhuǎn)化為信號(hào)傳遞給BMS 或其他后臺(tái)寄存數(shù)據(jù)庫，由BMS 與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)閾值進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)數(shù)值在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)閾值范圍之內(nèi)，則系統(tǒng)發(fā)出正常信號(hào)指示，并顯示在車機(jī)上給用戶了解。當(dāng)系統(tǒng)判斷數(shù)據(jù)不在預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)閾值范圍之內(nèi)，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)提醒，并且顯示在車機(jī)上提醒用戶注意故障，避免相關(guān)工作人員發(fā)生事故。同時(shí)BMS 將處理過的信息和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)獲取的定位信息利用5G 網(wǎng)絡(luò)通過CAN 總線上傳到云平臺(tái)，車端才能獲取大量的信息。該系統(tǒng)的重要流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)重要流程示意圖

2.2 參數(shù)顯示頁面

該系統(tǒng)用于人機(jī)交互及顯示平臺(tái)采用一個(gè)跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。這個(gè)平臺(tái)主要顯示的數(shù)據(jù)類型為動(dòng)力電池實(shí)時(shí)常規(guī)數(shù)據(jù)顯示模塊、重要數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、安全警報(bào)模塊，平臺(tái)顯示界面如圖4 所示。

圖4 平臺(tái)顯示界面

動(dòng)力電池實(shí)時(shí)常規(guī)數(shù)據(jù)顯示模塊主要將電池包上測量的電壓、電流、溫度等顯示出來。該模塊一般情況下不作為優(yōu)先顯示的界面，只有用戶或者維修人員操作才能看得見。重要數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊可收集整理數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化管理和可視化處理，讓用戶能夠掌握電池實(shí)時(shí)狀態(tài)。同時(shí)該管理模塊還具有數(shù)據(jù)的保留、刪除、備份、上傳、共享等功能。警報(bào)模塊則是通過對(duì)數(shù)據(jù)數(shù)值與內(nèi)置的安全閾值進(jìn)行比較，分析電池狀態(tài)是否存在安全隱患，同時(shí)該顯示界面還可將動(dòng)力電池位實(shí)時(shí)定位進(jìn)行顯示。

3 測試仿真結(jié)果與分析

模擬新能源汽車動(dòng)力電池組進(jìn)行監(jiān)測，避免了在實(shí)車過程中難以采集信號(hào)。如圖5 所示為北斗+5G 的動(dòng)力電池通訊系統(tǒng)。本次測試仿真過程采用的是鋰離子電池，由標(biāo)準(zhǔn)8 節(jié)單體電池串聯(lián)而成的鋰離子電池組成的電池組進(jìn)行相關(guān)測試仿真，電池電壓為3.7 V，容量為40 Ah。

圖5 北斗+5G 的動(dòng)力電池通訊系統(tǒng)的示意圖

為了對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(yàn)證，采用的動(dòng)力電池測試平臺(tái)是BTS 。BTS 系統(tǒng)是一個(gè)可以自行編寫程序進(jìn)行控制的動(dòng)力電池性能測試設(shè)備，具體的設(shè)備參數(shù)如表1 所示。

表1 設(shè)備參數(shù)

為驗(yàn)證 北斗+5G 的動(dòng)力電池通訊系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，反復(fù)測量仿真的動(dòng)力電池并將數(shù)據(jù)同步上傳至云端，得到相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 電池電壓電流測量值

4 結(jié)語

新能源汽車動(dòng)力電池狀態(tài)的變化關(guān)系到整車的性能及行車安全，能夠?qū)崟r(shí)掌握動(dòng)力電池的狀態(tài)變化對(duì)于用戶和維修人員都是非常有利。本文基于北斗+5G 的通訊和定位手段設(shè)計(jì)了一款動(dòng)力電池通訊技術(shù)，用戶和維修人員都能有效利用平臺(tái)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)做出有效措施。